JP2011108779A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書に開示された技術は、集積回路チップを複数個積み重ねてなる3次元チップ積層構造をとり、インダクタを有する半導体装置に関するものである。 The technology disclosed in this specification relates to a semiconductor device having a three-dimensional chip stack structure in which a plurality of integrated circuit chips are stacked and having an inductor.
近年、携帯電話等の携帯通信機器の小型化が進められている。機器の小型化を実現するために、アナログ高周波回路をシリコン集積回路に1チップ化する要求が高まってきている。高周波回路には、トランジスタ、抵抗、容量に加えて、コイルやトランスといったインダクタ素子が必要であり、半導体基板上にトランジスタや抵抗等を利用した集積回路と共に、インダクタ素子を形成する方法が開発されている。 In recent years, mobile communication devices such as mobile phones have been downsized. In order to reduce the size of equipment, there is an increasing demand for analog high-frequency circuits to be integrated into a silicon integrated circuit on a single chip. In addition to transistors, resistors, and capacitors, high-frequency circuits require inductor elements such as coils and transformers, and methods for forming inductor elements along with integrated circuits using transistors and resistors on a semiconductor substrate have been developed. Yes.
一方で、半導体集積回路をインダクタ素子とロジック回路やアナログ回路、メモリー回路等の各種機能回路毎に複数個のチップに分け、これら複数個のチップを積み重ねることによって、チップコストの低減や半導体モジュール全体の小型化を図ることが提案されている。 On the other hand, a semiconductor integrated circuit is divided into a plurality of chips for each functional circuit such as an inductor element, a logic circuit, an analog circuit, and a memory circuit, and by stacking these chips, the chip cost can be reduced and the entire semiconductor module can be reduced. It has been proposed to reduce the size.
例えば、特許文献1には、回路基板上にそれぞれ貫通電極を形成した複数の半導体チップを3次元状に積層する技術と、各チップの上面から裏面まで貫通する貫通電極の形成方法とが開示されている。また、特許文献2には、平面コイルが形成されたフェライト基板上に半導体チップを搭載する構成が開示されている。これらの特許文献に示された構成では、各種機能回路毎にチップが設けられ、これらのチップが集積化されて1つの集積回路モジュールを構成しているので、全ての機能を1チップに集積する場合に比べて各チップの製造工程を最適化できること等により、チップの製造コストを低減させることができる。また、全体的に集積回路モジュールを小型化することができる。
For example,
しかしながら、特許文献2に開示された従来の半導体装置において、インダクタ素子に高周波電流を流した時に、磁束の変化を妨げる渦電流が半導体チップに発生する。このため、インダクタ素子自体での電力損失を伴うと共に、渦電流によって半導体チップ上で電位差が生じ、半導体チップにおけるノイズの発生や回路の誤動作を引き起こすという不具合がある。集積回路の微細化及び集積度の向上に伴い、半導体チップ上の集積回路は磁気の影響を受けやすくなっている反面、インダクタ素子が所定のインダクタンスを確保するためには微細化することが困難であることから、集積回路におけるノイズの発生や誤動作の発生はより大きな課題となってきている。
However, in the conventional semiconductor device disclosed in
本発明の目的は、半導体チップとインダクタ素子とが集積化されてなる半導体装置において、インダクタ素子により生じる磁界の半導体チップ上の回路への影響を低減することにある。 An object of the present invention is to reduce the influence of a magnetic field generated by an inductor element on a circuit on the semiconductor chip in a semiconductor device in which a semiconductor chip and an inductor element are integrated.
本発明の一例に係る半導体装置は、集積回路が形成された主面を有する第1のチップと、前記第1のチップ上に積層され、集積回路が形成された主面を有する少なくとも1つの第2のチップと、前記第1のチップ及び前記第2のチップのうちいずれか1つのチップ上に搭載され、インダクタを有するインダクタ素子とを備えている。さらに、半導体装置において、前記インダクタ素子は、前記インダクタの内側において、前記第1のチップの主面及び前記第2のチップの主面のいずれにもほぼ平行な方向の磁界を発生させ、前記第2のチップは、前記第1のチップ上において、前記インダクタ素子から見て前記インダクタの内側に生じる磁界の方向に配置されない。 A semiconductor device according to an example of the present invention includes a first chip having a main surface on which an integrated circuit is formed, and at least one first chip having a main surface stacked on the first chip and having an integrated circuit formed thereon. 2 chips and an inductor element mounted on any one of the first chip and the second chip and having an inductor. Further, in the semiconductor device, the inductor element generates a magnetic field in a direction substantially parallel to both the main surface of the first chip and the main surface of the second chip inside the inductor, The second chip is not arranged on the first chip in the direction of the magnetic field generated inside the inductor when viewed from the inductor element.
この構成によれば、第1のチップ、第2のチップいずれもがインダクタ素子の動作によって磁界が発生する領域のうち、磁束密度が高い領域に入らないので、渦電流による損失を大幅に低減することができる。また、第1のチップ及び第2のチップ上に設けられた集積回路の誤動作を防ぐことができる。さらに、第1のチップと第2のチップとが積層されているので、例えば第1のチップと第2のチップとに別個の機能を有する集積回路を設けることができ、この場合には、1つのチップ上に複数の機能を有する回路を集積化する場合に比べて結果的に半導体装置の製造コストを低減しうるとともに、それぞれの回路の性能を十分に発揮させやすくなる。 According to this configuration, since both the first chip and the second chip do not enter the region where the magnetic flux density is high in the region where the magnetic field is generated by the operation of the inductor element, the loss due to the eddy current is greatly reduced. be able to. In addition, malfunction of the integrated circuit provided over the first chip and the second chip can be prevented. Furthermore, since the first chip and the second chip are stacked, for example, an integrated circuit having separate functions can be provided in the first chip and the second chip. In this case, 1 As a result, the manufacturing cost of the semiconductor device can be reduced as compared with the case where a circuit having a plurality of functions is integrated on one chip, and the performance of each circuit can be easily exhibited.
前記インダクタ素子が前記第1のチップ上に搭載されるとともに、前記インダクタの内側において、前記第2のチップの端面のうち前記インダクタ素子に面した端面にほぼ平行な方向の磁界を発生させるのが好ましい。 The inductor element is mounted on the first chip, and a magnetic field in a direction substantially parallel to an end face of the second chip facing the inductor element is generated inside the inductor. preferable.
前記インダクタが1ターン以上の巻き線により構成されていれば、所望の強さの磁界を発生させることができる。 If the inductor is composed of one or more turns, a magnetic field having a desired strength can be generated.
前記第1のチップ及び前記第2のチップのうちいずれか1つのチップ上には、複数の前記インダクタ素子が搭載されていてもよいし、1つのインダクタ素子上に複数のインダクタが設けられていてもよい。 A plurality of inductor elements may be mounted on any one of the first chip and the second chip, or a plurality of inductors may be provided on one inductor element. Also good.
本発明の一例に係る半導体装置によれば、第1のチップと、第1のチップ上に積層された第2のチップとが磁界により受ける影響が大きく低減されるので、渦電流による損失を抑え、第1のチップ及び第2のチップに設けられた集積回路の誤動作を防ぐことが可能となる。 According to the semiconductor device according to the example of the present invention, the influence of the first chip and the second chip stacked on the first chip due to the magnetic field is greatly reduced, so that the loss due to the eddy current is suppressed. This makes it possible to prevent malfunctions of the integrated circuits provided in the first chip and the second chip.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、各実施形態に係る半導体装置を示す図面において、同じ符号を付した構成要素は同様の動作を行うので、再度の説明を省略する場合がある。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that in the drawings illustrating the semiconductor device according to each embodiment, the constituent elements denoted by the same reference numerals perform the same operation, and thus the description thereof may be omitted.
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る半導体装置を示す斜視図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention.
同図に示すように、本実施形態の半導体装置は、ロジック回路チップ(第1のチップ)2と、ロジック回路チップ2上に搭載されたアナログ回路チップ(第2のチップ)4と、ロジック回路チップ2上に搭載されたチップ状のインダクタ素子1とを備えている。
As shown in the figure, the semiconductor device of this embodiment includes a logic circuit chip (first chip) 2, an analog circuit chip (second chip) 4 mounted on the
図1に示す例では、ロジック回路チップ2の面積はアナログ回路チップ4よりも大きく、ロジック回路チップ2を含む各チップの平面形状は四辺形状となっている。ロジック回路チップ2の周辺部には、外部の回路や機器等との信号交換をしたり、外部から供給された電源電圧を伝達する配線を接続するためのボンディングパッド3が設けられている。ロジック回路チップ2の一方の主面(回路形成面)のうち、アナログ回路チップ4が搭載される領域には、ボンディングパッド3と電気的に接続された接続パッド(図示せず)が設けられる。
In the example shown in FIG. 1, the area of the
ロジック回路チップ2上の接続パッドとアナログ回路チップ4上に配置された接続パッドとによって、ロジック回路チップ2とアナログ回路チップ4とは必要な電気信号のやり取りを行い、ロジック回路チップ2からアナログ回路チップ4へと電源電圧が供給される。アナログ回路チップ4の回路形成面には、例えば回路要素や金属配線の他、これらに接続された接続パッド及びバンプが設けられており、アナログ回路チップ4の回路形成面がロジック回路チップ2の回路形成面に対向するように接続されている。もちろん、アナログ回路チップ4が、半導体基板を貫通する貫通電極と、当該貫通電極に接続され、半導体基板の裏面に設けられた接続パッドとを有し、アナログ回路チップ4の接続パッドがロジック回路チップ2上の接続パッドとバンプなどにより接続される構成であってもよい。
The
インダクタ素子1は、後述するようにその一方の主面上に配線である銅薄膜が渦巻き状に形成されており、動作時のインダクタ素子1では、銅薄膜の渦の中心を通り、主面に対して垂直な方向(図1に示す矢印方向)の磁気が発生する。
As will be described later, the
なお、図1に示す例では第1のチップをロジック回路チップ2とし、第2のチップをアナログ回路チップ4としたが、各チップ上に設けられた回路の機能はこれに限定されるものではない。例えば、第1のチップをアナログ回路チップとし、第1のチップ上の第2のチップをロジック回路チップとしても構わない。さらに、第1のチップがアナログ回路を含むロジック回路チップであり、第2のチップがメモリー回路チップであっても構わない。
In the example shown in FIG. 1, the first chip is the
次に、インダクタ素子1の構造の一例について、図を参照して説明する。図2は、比較的大型のインダクタ素子の構造の一例を示す3面図である。左側に描かれた側面図は、正面図に示された金バンプ15及び銅薄膜13を通る断面を示している。また、図2では、渦巻き状の銅薄膜12が設けられた面を正面とし、ロジック回路チップ2に接続された面を底面として示している。
Next, an example of the structure of the
図2に示すインダクタ素子1は、絶縁基板11と、絶縁基板11の一方の主面上に設けられた渦巻き状の銅薄膜(巻き線)12と、絶縁基板11の他方の主面上に設けられた銅薄膜13とを有している。なお、以下の本明細書では、インダクタ素子1に設けられているコイルを指してインダクタと呼ぶものとする。ここでは、銅薄膜12、13によって面実装型のインダクタが構成されている。図2では、銅薄膜12の巻き数が3ターンである例を示しているが、銅薄膜12の巻き数は少なくとも1ターン以上あればインダクタとして所望の機能を発揮させうる。
The
絶縁基板11には、銅薄膜12が形成する渦巻きの内側端部の位置にスルーホールが形成されており、銅薄膜12と銅薄膜13とはスルーホール内に埋め込まれたスルーホールメッキ14によって接続されている。銅薄膜13のうち絶縁基板11の底面側の端部には、絶縁基板11を貫通し、底面が接続端子として機能する接続パッド16aが接続され、銅薄膜12のうち外側の端部には絶縁基板11の底面に露出し、接続端子として機能する接続パッド16bが接続されている。従って、接続パッド16bと接続パッド16aとは、銅薄膜12、13を介して電気的に接続されている。接続パッド16a、16bは、それぞれロジック回路チップ2上に配置された接続パッド(図示せず)と、金バンプ15などの接続部材を介して接続されている。
A through hole is formed in the insulating
なお、絶縁基板11の主面は例えば一辺が約500μm程度の正方形であり、樹脂基板11の厚さは例えば100μm程度である。また、銅薄膜12、13の厚さは例えば40μmである。
The main surface of the insulating
インダクタの内側では、接続パッド16aと接続パッド16bとの間に電流が流れることで、銅薄膜12の巻き面に垂直な方向、すなわちインダクタ素子1の正面方向または背面方向に向かう磁界が発生する。銅薄膜12の巻き面に垂直な方向とは、言い換えれば、銅薄膜12、13で構成されるインダクタの軸方向とも言える。ここで、「巻き面」とは、インダクタ素子によって誘起される磁力線が直交する平面を表す。本実施形態では、銅薄膜12の巻き面は、銅薄膜12が設けられた方の絶縁基板11の主面と同じ面になっている。
Inside the inductor, a current flows between the
本実施形態の半導体装置では、絶縁基板11の銅薄膜が設けられた主面(銅薄膜12の巻き面)が、他のチップ(ここではロジック回路チップ2及びアナログ回路チップ4)の回路形成面に対してほぼ垂直になるようにインダクタ素子1が配置されている点が従来の半導体装置と異なっている。ここで、「他のチップの回路形成面に対してほぼ垂直」とは、銅薄膜が設けられた主面が他のチップの回路形成面に対して垂直である場合だけでなく、他のチップに影響を与えない範囲で垂直から多少ずれている場合も含むことを意味する。また、インダクタ素子1の主面は、同一チップ上に設けられたチップ、すなわちアナログ回路チップ4のインダクタ素子1に面する端面(側面)ともほぼ垂直になっている。
In the semiconductor device of this embodiment, the main surface (the winding surface of the copper thin film 12) on which the copper thin film of the insulating
以上の構成を有する本実施形態の半導体装置では、銅薄膜12により構成される渦の内側を通る磁力線の向きは、ロジック回路チップ2の回路形成面に対してほぼ平行で、且つアナログ回路チップ4のインダクタ素子1に面する端面に対してもほぼ平行になっている。従って、インダクタ素子1により磁界が発生する領域のうち、磁束密度が高い領域にロジック回路チップ2やアナログ回路チップ4が入らず、渦電流による損失を大幅に低減することができる。
In the semiconductor device of the present embodiment having the above configuration, the direction of the magnetic lines passing through the inside of the vortex formed by the copper
さらに、本実施形態の半導体装置によれば、ロジック回路チップ2やアナログ回路チップ4における誤動作を防止でき、メモリー回路チップをロジック回路チップ2上に積層した場合にはソフトエラーの発生を抑えることができる。上述のように、積層するチップに形成される回路の種類は限定されないが、構成素子(トランジスタ等)が動作閾値を有するロジック回路やメモリーに比べてアナログ回路は渦電流の影響を受けやすいため、本実施形態で説明した構成は、アナログ回路チップ4とインダクタ素子1とを同一パッケージ内に設ける場合に特に効果的である。
Furthermore, according to the semiconductor device of this embodiment, malfunctions in the
また、一つの基板上にCMOSロジック回路、アナログ回路、及びフラッシュメモリーなど、構造の異なるデバイスを集積化する場合、集積回路の製造工程が複雑になり、製造コストが上昇する上、それぞれの回路要素の性能を最大限に引き出すことが困難となる場合が多い。これに対し、本実施形態の半導体装置では、構造が異なる回路要素をそれぞれ別個のチップ上に形成した後で、これらのチップを貼り合わせることにより、各チップの製造コストの低減を図ることができ、ひいては半導体装置全体の製造コストを低減することができる。さらに、それぞれの回路要素の性能を最大限に発揮させやすくなる。また、1つのチップ上に各種回路を集積化する場合に比べて歩留まりの向上を図ることもできる。 In addition, when integrating devices with different structures such as CMOS logic circuits, analog circuits, and flash memories on a single substrate, the manufacturing process of the integrated circuit becomes complicated and the manufacturing cost increases, and each circuit element In many cases, it is difficult to maximize the performance. On the other hand, in the semiconductor device of this embodiment, after the circuit elements having different structures are formed on separate chips, these chips are bonded to each other, so that the manufacturing cost of each chip can be reduced. As a result, the manufacturing cost of the entire semiconductor device can be reduced. Furthermore, it becomes easier to maximize the performance of each circuit element. Further, the yield can be improved as compared with the case where various circuits are integrated on one chip.
通常、インダクタ素子が有する渦巻き状の銅薄膜を設けるためには、直径100μm程度以上の面積を必要とするので、従来の半導体装置では、渦電流による回路の誤動作を防ぐためにインダクタ素子の下方に回路を設けない等の配慮が必要であった。これに対し、本実施形態の半導体装置では、インダクタ素子1が発生する磁界の影響が非常に小さくなっているので、インダクタ素子1の下方に位置するチップ(図1の例ではロジック回路チップ2)上での回路の配置の自由度が大きく向上しており、より高密度に回路要素を配置することが可能となっている。従って、本実施形態の構成は、チップ面積の縮小化にも寄与する。
Usually, in order to provide the spiral copper thin film of the inductor element, an area of about 100 μm or more is required. Therefore, in a conventional semiconductor device, a circuit is provided below the inductor element to prevent malfunction of the circuit due to eddy current. It was necessary to consider such things as not providing. On the other hand, in the semiconductor device of the present embodiment, the influence of the magnetic field generated by the
なお、インダクタ素子1に電流が流れると、銅薄膜12が構成するインダクタの内側では銅薄膜12の渦の軸に平行な方向の磁界が発生するが、インダクタ素子1の側方では銅薄膜12の内側とは逆方向の磁界が発生する。ここで、「インダクタ素子1の側方」とは、絶縁基板11の両主面が向く方向を正面及び背面とした場合の側面方向であることを意味する。しかしながら、銅薄膜12が構成する渦の内側からインダクタ素子1の正面方向へと向かう磁界の磁束密度に比べてインダクタ素子1の側方での磁界の磁束密度は非常に小さいので、インダクタ素子1の下に位置するロジック回路チップ2上の回路や、インダクタ素子1と同一チップ上に配置されたアナログ回路チップ4上の回路が受ける磁界の影響は従来の半導体装置に比べて極めて小さくなっている。
When a current flows through the
また、アナログ回路チップ4やロジック回路チップ2などのチップは、インダクタ素子1によって発生する磁界の磁束密度が大きい領域に配置されなければよいので、これらのチップがインダクタ素子1の正面方向及び背面方向、すなわち銅薄膜12で構成されるインダクタの内側に生じる磁界の方向に配置されなければ、磁界による渦電流の影響を抑えることができる。なお、インダクタ素子1に交流電圧を印加する場合には、図1に示す矢印とは180度逆の方向の磁界も発生しうる。
In addition, chips such as the
本実施形態の半導体装置において、インダクタ素子1は絶縁基板11の主面上に渦巻き状の銅薄膜12が形成されたものに限らず、絶縁基板11の内部の配線層に渦巻き状の銅薄膜12が形成されたものであってもよいし、高抵抗なシリコン基板上に半導体プロセスにより渦巻き状の金属配線が形成されたものであってもよい。また、後述するように、平面上に形成されたインダクタに代えて金属線からなるコイルをインダクタ素子として用いてもよい。
In the semiconductor device of the present embodiment, the
また、インダクタを構成する銅薄膜12は、必ずしも銅で構成されている必要はなく、金属で構成された渦巻き状の配線であればよい。
The copper
また、本実施形態の半導体装置ではロジック回路チップ2上にアナログ回路チップ4が積層されているが、両チップの間に別の半導体集積回路が形成されたチップが挟まれていてもよいし、回路基板が挟まれていてもよい。
In the semiconductor device of this embodiment, the
(第2の実施形態)
図3は、本発明の第2の実施形態に係る半導体装置を示す斜視図である。
(Second Embodiment)
FIG. 3 is a perspective view showing a semiconductor device according to the second embodiment of the present invention.
同図に示すように、本実施形態の半導体装置は、ロジック回路チップ2と、ロジック回路チップ2上に搭載されたアナログ回路チップ4と、アナログ回路チップ4上に搭載されたインダクタ素子1とを備えている。本実施形態の半導体装置は、インダクタ素子1がロジック回路チップ2上に積層されたアナログ回路チップ4上に配置されている点が第1の実施形態の半導体装置と異なっている。
As shown in the figure, the semiconductor device of this embodiment includes a
インダクタ素子1の一方の主面上には 渦巻き状の銅薄膜12が設けられており、インダクタ素子1(あるいは絶縁基板)の主面がアナログ回路チップ4の回路形成面(一方の主面)と垂直になるように、インダクタ素子1がアナログ回路チップ4上に設けられている。従って、インダクタ素子1の渦巻き状の銅薄膜12(すなわちインダクタ)の内側に生じる磁界の向きは、ロジック回路チップ2の一方の主面(回路形成面)及びアナログ回路チップ4の一方の主面(回路形成面)とほぼ平行になっている。
A spiral copper
本実施形態に係る半導体装置によれば、第1の実施形態に係る半導体装置と同様に、インダクタ素子1により生じる磁界がロジック回路チップ2及びアナログ回路チップ4に与える影響を小さくし、回路の誤動作等の不具合の発生を抑えることができる。さらに、インダクタ素子1をロジック回路チップ2上に積層されたアナログ回路チップ4上に配置しているので、第1の実施形態に係る半導体装置に比べてアナログ回路チップ4の面積を大きくすることができ、アナログ回路の集積度を向上させることが可能となる。また、ロジック回路チップ2上にインダクタ素子1を搭載するための領域を設ける必要がないので、第1の実施形態の半導体装置に比べて平面面積を縮小することが可能となる。
According to the semiconductor device according to the present embodiment, similarly to the semiconductor device according to the first embodiment, the influence of the magnetic field generated by the
なお、第1の実施形態の半導体装置は、本実施形態の半導体装置に比べて半導体装置全体としての厚みを小さくできるので、平面面積の縮小よりも薄厚化が求められる場合に好ましく用いられる。 The semiconductor device of the first embodiment can be preferably used when the thickness of the semiconductor device as a whole is smaller than the reduction of the planar area because the thickness of the entire semiconductor device can be reduced as compared with the semiconductor device of the present embodiment.
さらに、本実施形態の半導体装置では、インダクタ素子1を必要とするアナログ回路チップ4上にインダクタ素子1を直接接続しているため、アナログ回路チップ4とインダクタ素子1との接続配線長を短くできる。そのため、インダクタ素子1とアナログ回路チップ4とを接続するための配線等の寄生容量を最小限にでき、損失の低減や高周波特性の向上を実現することができる。
Furthermore, in the semiconductor device of this embodiment, since the
アナログ回路チップ4として、例えば、化合物半導体からなる基板上に高周波出力回路を形成したチップを用いれば、シリコン基板を有するロジック回路チップ2との3次元集積化も容易に実施できる。
If, for example, a chip in which a high frequency output circuit is formed on a substrate made of a compound semiconductor is used as the
なお、本実施形態の半導体装置においても、アナログ回路チップ4とロジック回路チップ2の配置及び大きさを入れ替えたり、これらのチップに代えてメモリー回路チップ等の他の機能を有するチップを用いることができる。
In the semiconductor device of this embodiment, the arrangement and size of the
(第3の実施形態)
図4は、本発明の第3の実施形態に係る半導体装置を示す斜視図である。
(Third embodiment)
FIG. 4 is a perspective view showing a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention.
同図に示すように、本実施形態の半導体装置は、ロジック回路チップ2と、ロジック回路チップ2上にそれぞれ搭載されたアナログ回路チップ4、メモリー回路チップ5、及びインダクタ素子1とを備えている。
As shown in the figure, the semiconductor device of this embodiment includes a
本実施形態の半導体装置では、絶縁基板11の銅薄膜12が設けられた主面(銅薄膜12の巻き面)が、ロジック回路チップ2及びアナログ回路チップ4の回路形成面に対してだけでなく、メモリー回路チップ5の回路形成面に対してもほぼ垂直になるようにインダクタ素子1が配置されている。
In the semiconductor device of this embodiment, the main surface (the winding surface of the copper thin film 12) on which the copper
以上の構成により、インダクタ素子1を動作させた場合に銅薄膜12により構成される渦巻きの内側に生じる磁界の向きは、ロジック回路チップ2の回路形成面及びアナログ回路チップ4の回路形成面、及びメモリー回路チップ5の回路形成面とほぼ平行になっている。また、銅薄膜12により構成される渦巻きの内側に生じる磁界の向きは、アナログ回路チップ4及びメモリー回路チップ5のインダクタ素子1に面する各端面に対してもほぼ平行になっている。
With the above configuration, the direction of the magnetic field generated inside the spiral formed of the copper
従って、インダクタ素子1により磁界が発生する領域のうち、磁束密度が高い領域にロジック回路チップ2、アナログ回路チップ4、及びメモリー回路チップ5が入らず、渦電流による損失を大幅に低減することができる。さらに、本実施形態の半導体装置では、各チップ上の回路の誤動作を防ぐことができる。特に、メモリー回路チップ5ではソフトエラー等の発生を効果的に防ぐことができる。
Therefore, the
(第4の実施形態)
図5は、本発明の第4の実施形態に係る半導体装置を示す斜視図である。
(Fourth embodiment)
FIG. 5 is a perspective view showing a semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention.
同図に示すように、本実施形態の半導体装置は、第3の実施形態に係る半導体装置において、アナログ回路チップ4をメモリー回路チップ5上に積層した構成となっている。
As shown in the figure, the semiconductor device of the present embodiment has a configuration in which the
本実施形態の半導体装置においても、第3の実施形態の半導体装置と同様に、インダクタ素子1を動作させた場合に銅薄膜12により構成される渦巻きの内側に生じる磁界の向きは、ロジック回路チップ2の回路形成面及びアナログ回路チップ4の回路形成面、及びメモリー回路チップ5の回路形成面とほぼ平行になり、且つ、アナログ回路チップ4及びメモリー回路チップ5のインダクタ素子1に面する各端面に対してもほぼ平行になっている。このため、インダクタ素子1により磁界が発生する領域のうち、磁束密度が高い領域にロジック回路チップ2、アナログ回路チップ4、及びメモリー回路チップ5が入らず、渦電流による損失を大幅に低減することができる。さらに、本実施形態の半導体装置においても、各チップ上の回路の誤動作を防ぐことができる。
Also in the semiconductor device of the present embodiment, as in the semiconductor device of the third embodiment, the direction of the magnetic field generated inside the spiral formed of the copper
また、第3の実施形態の半導体装置に比べてアナログ回路チップ4とメモリー回路チップの平面面積を大きくすることができるので、両チップにおける回路の集積度を向上させることができる。
In addition, since the planar area of the
(第5の実施形態)
図6は、本発明の第5の実施形態に係る半導体装置を示す斜視図である。
(Fifth embodiment)
FIG. 6 is a perspective view showing a semiconductor device according to the fifth embodiment of the present invention.
同図に示すように、本実施形態の半導体装置は、第4の実施形態の半導体装置においてメモリー回路チップ5の平面面積を広げ、インダクタ素子1をロジック回路チップ2上でなくメモリー回路チップ5上に配置したものである。
As shown in the figure, the semiconductor device according to the present embodiment increases the planar area of the
本実施形態の半導体装置においても、絶縁基板11の銅薄膜12が設けられた主面が、ロジック回路チップ2、アナログ回路チップ4、及びメモリー回路チップ5の各回路形成面に対してほぼ垂直となり、且つ、アナログ回路チップ4のインダクタ素子1に面した端面に対してもほぼ垂直となるようにインダクタ素子1が配置されている。
Also in the semiconductor device of this embodiment, the main surface of the insulating
以上の構成により、インダクタ素子1を動作させた場合に銅薄膜12により構成される渦巻きの内側に生じる磁界の向きは、ロジック回路チップ2の回路形成面及びアナログ回路チップ4の回路形成面、及びメモリー回路チップ5の回路形成面とほぼ平行になっている。また、銅薄膜12により構成されるインダクタの内側に生じる磁界の向きは、アナログ回路チップ4のインダクタ素子1に面する端面に対してもほぼ平行になっている。
With the above configuration, the direction of the magnetic field generated inside the spiral formed of the copper
従って、インダクタ素子1により磁界が発生する領域のうち、磁束密度が高い領域にロジック回路チップ2、アナログ回路チップ4、及びメモリー回路チップ5が入らず、渦電流による損失を大幅に低減することができる。さらに、本実施形態の半導体装置においても、各チップ上の回路の誤動作を防ぐことができる。
Therefore, the
本実施形態の半導体装置によれば、第3の実施形態に係る半導体装置に比べてロジック回路チップ2上にメモリー回路チップ5とアナログ回路チップ4を積層しているので、アナログ回路チップ4とメモリー回路チップ5の平面面積を広げることができ、アナログ回路チップ4上及びメモリー回路チップ5上に設けられた回路の集積度を向上させることができる。また、第4の半導体装置と比べてメモリー回路チップ5の平面面積を大きくすることができるので、特にメモリー回路チップ5上に大容量メモリーが形成されている場合に本実施形態の構成は好ましく適用できる。
According to the semiconductor device of this embodiment, the
(第6の実施形態)
図7は、本発明の第6の実施形態に係る半導体装置を示す斜視図である。
(Sixth embodiment)
FIG. 7 is a perspective view showing a semiconductor device according to the sixth embodiment of the present invention.
同図に示すように、本実施形態の半導体装置は、第5の実施形態に係る半導体装置において、アナログ回路チップ4の平面面積を広げ、インダクタ素子1をメモリー回路チップ5上ではなくアナログ回路チップ4上に配置したものである。
As shown in the figure, the semiconductor device according to the present embodiment is the same as the semiconductor device according to the fifth embodiment in that the planar area of the
本実施形態の半導体装置においても、絶縁基板11の銅薄膜12が設けられた主面が、ロジック回路チップ2、メモリー回路チップ、及びアナログ回路チップ4の各回路形成面に対してほぼ垂直となっている。インダクタ素子1を動作させた場合に銅薄膜12により構成されるインダクタの内側に生じる磁界の向きは、ロジック回路チップ2の回路形成面及びメモリー回路チップ5の回路形成面、及びアナログ回路チップ4の回路形成面とほぼ平行になっている。
Also in the semiconductor device of this embodiment, the main surface on which the copper
従って、インダクタ素子1により磁界が発生する領域のうち、磁束密度が高い領域にロジック回路チップ2、アナログ回路チップ4、及びメモリー回路チップ5が入らず、渦電流による損失を大幅に低減することができる。さらに、本実施形態の半導体装置においても、各チップ上の回路の誤動作を防ぐことができる。
Therefore, the
本実施形態の半導体装置では、アナログ回路チップ4及びメモリー回路チップ5がロジック回路チップ2上に縦方向に積層され、且つ、インダクタ素子1をアナログ回路チップ4上に配置しているので、第3の実施形態の半導体装置に比べて各チップにおける回路の集積度を向上させることができる。特に、第5の実施形態の半導体装置と比べてもアナログ回路チップ4上の回路の集積度を向上させることができる。
In the semiconductor device of this embodiment, the
なお、積層されるチップの種類や数は図7に示す例に限られず、下方から上方に向かって複数のチップを積層し、最上部に位置するチップ上にインダクタ素子1を配置しても、本実施形態の半導体装置と同様の効果を得ることができる。
The types and number of chips to be stacked are not limited to the example shown in FIG. 7, and a plurality of chips may be stacked from the bottom to the top, and the
また、本実施形態及びこれまで説明した他の実施形態に係る半導体装置においては、1つの基板に1つのインダクタが設けられたインダクタ素子1が用いられているが、1つの基板に複数のインダクタが設けられたインダクタ素子1が設けられていてもよい。
In addition, in the semiconductor device according to this embodiment and the other embodiments described so far, the
このようなインダクタ素子1の例としては、トランスが挙げられる。
An example of such an
図8(a)〜(c)は、各実施形態に係る半導体装置において、トランス57として機能するインダクタ素子1の例を示す図である。同図(a)〜(c)に示すように、トランス57は、例えば互いに異なるインダクタンスを有する一次コイル57a、二次コイル57bを有し、この一次コイル57aと二次コイル57bとは誘導結合するように配置されている。図8(a)〜(c)に示すように、一次コイル57aと二次コイル57bとは同一の絶縁基板11の異なる配線層に形成された銅薄膜からなる面実装型コイルであってもよい。ここで、符号105は、接続パッドを示す。トランスは、二つのコイルに限らず3つ以上のコイルで構成されていてもよい。
8A to 8C are diagrams illustrating examples of the
図9は、本発明の実施形態に係る半導体装置において、トランス57を構成する複数のインダクタ素子1を設けた例を示す斜視図である。同図に示すように、積層されたチップ上に設けられた複数のインダクタ素子1がトランスを構成してもよい。この場合、トランス57においては、それぞれ1つのコイル(インダクタ)を形成した複数の絶縁基板11(インダクタ素子1)の主面が同一方向に向くように配置される。上述のいずれの構成のトランスであっても、本願の実施形態に係る半導体装置に用いることができる。
FIG. 9 is a perspective view showing an example in which a plurality of
また、本実施形態の半導体装置では、誘導結合が生じないように配置された複数のインダクタ素子1が設けられてもよい。例えば、同じ利得を有する二つのインダクタの一端を互いに接続させて両インダクタを並列に配置し、差動インダクタとして機能させてもよい。
In the semiconductor device of this embodiment, a plurality of
図10(a)、(b)は、各実施形態に係る半導体装置において、差動インダクタとして機能するインダクタ素子1を示す平面図、及びXb-Xb線での断面図である。この例では、銅薄膜等で構成されるインダクタ107の中点に接続パッド105cが接続されるとともに、インダクタ107の両端には接続パッド105が設けられる。インダクタ素子1がこのような構成であることにより、差動インダクタとして用いることが可能である。
FIGS. 10A and 10B are a plan view showing an
図10(a)、(b)に示すインダクタ107が差動回路に用いられる場合、インダクタ107の中点に電源電圧Vddが入力される。この場合、インダクタ107は中点を挟んで2つのインダクタで構成されることになる。この2つのインダクタは互いに近接して設けられ、互いに逆方向の電流が流されるため、相互に磁界の影響を受ける。しかし、インダクタ107を共振回路に用いる場合には、2つの近接するインダクタに同じ方向の電流が流れるため、誘導結合を生じない。
When the
このように、差動インダクタが1つの基板上に形成された複数の面実装型のインダクタで構成されていてもよい。 Thus, the differential inductor may be composed of a plurality of surface mount type inductors formed on one substrate.
図11は、本発明の実施形態に係る半導体装置において、差動インダクタを構成する複数のインダクタ素子1を設けた例を示す斜視図である。同図に示すように、複数のインダクタ素子1(に設けられたインダクタ)が差動インダクタを構成するように配置されていてもよい。この例では、二つのインダクタ素子1はその主面を同じ方向に向け、且つ側面同士が対向するように配置されており、一方のインダクタ素子1の動作により生じる磁界は、他方のインダクタ素子1に起電力を生じさせない。
FIG. 11 is a perspective view showing an example in which a plurality of
図12(a)〜(d)は、半導体基板上に形成されたインダクタを有しているインダクタ素子1を示す図である。図12(a)はインダクタを示す正面図であり、(b)〜(d)は当該インダクタを示す平面図である。
12A to 12D are views showing an
図12(a)に示すように、各実施形態の半導体装置に用いられるインダクタ素子1は、半導体基板102上に公知の半導体製造プロセスを用いて作製されるインダクタ(スパイラル配線121)を有していてもよい。スパイラル配線121は、例えば、層間絶縁膜114上に形成された第1層配線130と、第1層配線130とプラグを介して接続された第2層配線132とで構成され、二つの配線層間に螺旋状に設けられている。これまでで説明した半導体装置において、インダクタ素子1を図12(b)に示す構成としてもよい。また、誘導結合しないように配置したスパイラル配線121a、121bの一端を接続して差動インダクタ126を構成したものを半導体装置に設けてもよい。あるいは、図12(d)に示すような、誘導結合するように配置されたインダクタ125c、125dで構成されるトランス127を半導体装置に設けてもよい。
As shown in FIG. 12A, the
また、1つまたは複数のインダクタ素子1を含む例としてLC共振回路が挙げられる。LC共振回路は、例えば複数のインダクタ素子と、容量素子とを有し、所定の周波数を共振周波数とする回路である。この場合でも、インダクタ素子1をこれまでで説明したようにチップ上に配置することができる。
An LC resonance circuit is an example including one or
以上のように、本実施形態の半導体装置に用いられるインダクタ素子1の個数や種類は限定されない。
As described above, the number and type of
また、本発明の各実施形態における、チップ上の導体パッドとインダクタ素子1との接続は、例えばバンプを介する接続やワイヤーによる接続等、接続方法を限定するものではない。また、本発明の実施形態において、インダクタ素子1の巻き数、層数等、パターン構造は特に限定されない。さらに、本発明の実施形態において、半導体基板上に設けられた各種集積回路チップの素子構造、配線層、各層の構成材料、各部材の膜厚、形成条件等、インダクタ素子1の配置に直接関係ない構造や製造方法については特に限定されない。
Further, the connection between the conductor pad on the chip and the
(第7の実施形態)
図13は、本発明の第7の実施形態に係る半導体装置を示す斜視図(上図)、概略側面図(中図)、及び概略正面図(下図)である。
(Seventh embodiment)
FIG. 13 is a perspective view (upper view), a schematic side view (middle view), and a schematic front view (lower view) showing a semiconductor device according to a seventh embodiment of the present invention.
同図に示すように、本実施形態の半導体装置は、第2の実施形態の半導体装置と構成が類似しているが、インダクタ素子1がアナログ回路チップ4の回路形成面ではなく、端面上に配置されている点が異なる。
As shown in the figure, the semiconductor device of this embodiment is similar in configuration to the semiconductor device of the second embodiment, but the
また、インダクタ素子1は、銅薄膜12が形成された絶縁基板11で構成された面実装型コイルであってもよいが、図13に示すように、金属線を1ターン以上巻くことで形成された空芯あるいは鉄芯コイルであってもよい。
Further, the
インダクタ素子1は、アナログ回路チップ4の端面上部に設けられた接続パッド(図示せず)に、例えば銅のバンプなどを用いて圧着されている。
The
次に、インダクタ素子1として面実装型コイルを用いた場合の構造の一例を、図14を参照して説明する。
Next, an example of a structure in which a surface mount type coil is used as the
図14は、本実施形態の半導体装置におけるインダクタ素子1を示す正面図、側面図、及び底面図である。同図に示すインダクタ素子1は、第1の実施形態にて説明したインダクタ素子1(図2参照)とほぼ同様の構造を有しているが、インダクタ素子1をアナログ回路チップ4に貼り付けるための導体パッドの構成が異なる。ここでは、インダクタ素子1の絶縁基板11を挟んで、その両面にインダクタ素子1の両端子が配置されている。すなわち、インダクタ素子1とアナログ回路チップ(第2のチップ)4との接続部分は、絶縁基板11に相当する距離だけ互いに離間させた2つの導体パッドをアナログ回路チップ4の端面上部に設けて、当該導体パッドをインダクタ素子1の接続面17と接続させた構造となる。
FIG. 14 is a front view, a side view, and a bottom view showing the
本構成によれば、第2の実施形態で説明した効果に加えて、最終的にチップ全体をパッケージに組み込んだときに、パッケージの高さを低くすることが可能である。また、アナログ回路チップが高周波動作する際に発生する熱を放出するための放熱板をチップから近い距離に貼り付けることができるというメリットがある。 According to this configuration, in addition to the effects described in the second embodiment, it is possible to reduce the height of the package when the entire chip is finally incorporated into the package. Further, there is an advantage that a heat radiating plate for releasing heat generated when the analog circuit chip operates at a high frequency can be attached at a short distance from the chip.
なお、本発明は以上で説明した実施形態に限定されることはなく、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものである。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications are possible, and these are also included in the scope of the present invention.
また、以上で説明した実施形態の構成要素は本願発明の趣旨を逸脱しない範囲で任意に組み合わせてもよい。 Moreover, you may combine arbitrarily the component of embodiment demonstrated above in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
本発明の一例である半導体装置は、インダクタ素子を搭載し、集積回路チップを積層した半導体装置として、種々の電子機器に利用可能である。 A semiconductor device which is an example of the present invention can be used for various electronic devices as a semiconductor device in which an inductor element is mounted and an integrated circuit chip is stacked.
1 インダクタ素子
2 ロジック回路チップ
3 ボンディングパッド
4 アナログ回路チップ
5 メモリー回路チップ
11 絶縁基板
12、13 銅薄膜
14 スルーホールメッキ
15 金バンプ
16a、16b 接続パッド
17 接続面
57、127 トランス
57a 一次コイル
57b 二次コイル
102 半導体基板
105、105c 接続パッド
107、125c、125d インダクタ
114 層間絶縁膜
121 スパイラル配線
121a、121b スパイラル配線
126 差動インダクタ
130 第1層配線
132 第2層配線
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記第1のチップ上に積層され、集積回路が形成された主面を有する少なくとも1つの第2のチップと、
前記第1のチップ及び前記第2のチップのうちいずれか1つのチップ上に搭載され、インダクタを有するインダクタ素子とを備え、
前記インダクタ素子は、前記インダクタの内側において、前記第1のチップの主面及び前記第2のチップの主面のいずれにもほぼ平行な方向の磁界を発生させ、
前記第2のチップは、前記第1のチップ上において、前記インダクタ素子から見て前記インダクタの内側に生じる磁界の方向に配置されない半導体装置。 A first chip having a main surface on which an integrated circuit is formed;
At least one second chip having a main surface on which the integrated circuit is formed and being stacked on the first chip;
An inductor element mounted on any one of the first chip and the second chip and having an inductor;
The inductor element generates a magnetic field in a direction substantially parallel to both the main surface of the first chip and the main surface of the second chip inside the inductor,
The semiconductor device in which the second chip is not arranged on the first chip in a direction of a magnetic field generated inside the inductor when viewed from the inductor element.
前記インダクタ素子は、前記第1のチップ上に搭載されるとともに、前記インダクタの内側において、前記第2のチップの端面のうち前記インダクタ素子に面した端面にほぼ平行な方向の磁界を発生させることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The inductor element is mounted on the first chip, and generates a magnetic field in a direction substantially parallel to an end face of the second chip facing the inductor element inside the inductor. A semiconductor device characterized by the above.
前記インダクタ素子は、前記第2のチップのうち最上部に位置するチップ上に搭載されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 1,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the inductor element is mounted on a chip located at an uppermost portion of the second chip.
前記インダクタ素子が搭載されたチップは、前記インダクタの両端子と電気的に接続されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to any one of claims 1 to 3,
A chip on which the inductor element is mounted is electrically connected to both terminals of the inductor.
前記インダクタ素子が搭載されたチップの主面上に2つの導体パッドが設けられ、
前記インダクタの両端子は、前記2つの導体パッドのうちそれぞれに対応する導体パッドに接続されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 4,
Two conductor pads are provided on the main surface of the chip on which the inductor element is mounted,
Both terminals of the inductor are connected to conductor pads corresponding to the two conductor pads, respectively.
前記インダクタ素子が搭載されたチップの端面上部に2つの導体パッドが設けられ、
前記インダクタの両端子は、前記2つの導体パッドのうちそれぞれに対応する導体パッドに接続されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 4,
Two conductor pads are provided on the upper end surface of the chip on which the inductor element is mounted,
Both terminals of the inductor are connected to conductor pads corresponding to the two conductor pads, respectively.
前記インダクタは、1ターン以上の巻き線により構成されていることを特徴とする半導体装置。 In the semiconductor device according to claim 1,
2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the inductor is constituted by a winding of one turn or more.
前記第1のチップ及び前記第2のチップのうちいずれか1つのチップ上には、複数の前記インダクタ素子が搭載されていることを特徴とする半導体装置。 In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 7,
A semiconductor device, wherein a plurality of the inductor elements are mounted on any one of the first chip and the second chip.
前記複数のインダクタ素子は、誘導結合が生じないように配置されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 8,
The plurality of inductor elements are arranged so as not to cause inductive coupling.
前記複数のインダクタ素子は、差動インダクタを構成することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 9.
The semiconductor device, wherein the plurality of inductor elements constitute a differential inductor.
前記複数のインダクタ素子は、誘導結合が生じるように配置されていることを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 8,
The semiconductor device, wherein the plurality of inductor elements are arranged so that inductive coupling occurs.
前記複数のインダクタ素子が有する前記インダクタは、トランスを構成することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 11,
The semiconductor device, wherein the inductors of the plurality of inductor elements constitute a transformer.
前記インダクタ素子は、複数の前記インダクタを有していることを特徴とする半導体装置。 In the semiconductor device according to any one of claims 1 to 7,
The inductor device has a plurality of the inductors.
前記複数のインダクタは、差動インダクタを構成することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 13,
The plurality of inductors constitute a differential inductor.
前記インダクタ素子が有する前記複数のインダクタは、トランスを構成することを特徴とする半導体装置。 The semiconductor device according to claim 13,
The plurality of inductors included in the inductor element constitute a transformer.
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WO2024057707A1 (en) * | 2022-09-12 | 2024-03-21 | 先端システム技術研究組合 | Semiconductor module and method for producing same |
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2009
- 2009-11-16 JP JP2009260971A patent/JP2011108779A/en active Pending
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